Hoe werkt een pH meter? Techniek, werking en natuurkunde uitgelegd
Wat is een pH meter?
Een pH meter is een digitale meter welke de pH waarde van een vloeistof meet en weergeeft als een waarde tussen de 0 en 14. Dit meet hij door het spaningsverschil tussen twee elektrodes te meten.Hoe werkt een pH meter?
Een digitale pH meter meet de zuurgraad van een vloeistof door de elektrodes in het water te plaatsen. De pH meter meet vervolgens het elektrische spanningsverschil tussen de twee elektrodes en dit wordt door de microprocessor in de pH meter geconverteerd naar een pH waarde. Bij het omrekenen houdt de pH meter rekening met de temperatuur en compenseert dit in de meting. De gemeten pH waarde wordt op het digitale display weergegeven.Een digitale pH-meter is eenhandig instrument waarmee de zuurgraad van een vloeistof nauwkeurig kan worden bepaald. Een pH meter wordt veel gebruikt in laboratoria, de voedingsmiddelenindustrie, de landbouw, waterzuiveringsinstallaties, aquaria en de chemische industrie. Ook hobbyisten gebruiken pH-meters om bijvoorbeeld de waterkwaliteit van een aquarium of een hydroponisch systeem te controleren.
Hoewel een digitale pH-meter eenvoudig in gebruik lijkt, berust de meting op een combinatie van chemie, natuurkunde en elektronica. Een pH meter gebruikt een zeer klein elektrisch spanningsverschil dat ontstaat door de concentratie waterstofionen in een oplossing.
Wat betekent de pH waarde?
De pH is een maat voor de zuurgraad van een vloeistof. De afkorting staat voor potentia Hydrogenii, wat letterlijk "waterstofpotentiaal" betekent. De pH geeft aan hoeveel waterstofionen (H⁺) in een oplossing aanwezig zijn.De pH wordt berekend met de formule:
pH = –log₁₀[H⁺]
Hierbij staat [H⁺] voor de concentratie waterstofionen in mol per liter.
Omdat de pH-schaal logaritmisch is, betekent een verschil van één pH-eenheid dat de concentratie waterstofionen tien keer zo groot of juist tien keer zo klein is. Een oplossing met een pH van 4 is dus tien keer zuurder dan een oplossing met een pH van 5 en honderd keer zuurder dan een oplossing met een pH van 6.
Bij 25 °C geldt:
● pH 7 is neutraal.
● een pH lager dan 7 is zuur.
● een pH hoger dan 7 is basisch of alkalisch.
Hoe meet een pH meter?
In de meetkop van een pH meter bevinden zich twee elektroden. Zodra deze in het water worden gehouden en de meter aanstaat meet hij het spanningsverschil tussen de glaselektrode en de referentie-elektrode.pH-elektrode
Het belangrijkste onderdeel van een pH meter is de pH-elektrode. Deze bestaat meestal uit een dun glazen bolletje dat gevoelig is voor waterstofionen. In de elektrode bevindt zich een bekende referentieoplossing met een constante pH. referentie-elektrode
Daarnaast bevat de pH meter een referentie-elektrode die een stabiele elektrische spanning levert.
De combinatie van de glaselektrode en de referentie-elektrode maakt het mogelijk om een zeer klein spanningsverschil te meten.De glaselektrode reageert op de te testen vloeistof terwijl de referentie-elektrode stabiel blijft. De pH-meter meet kort gezegd de elektrische spanning tussen deze twee.
Waarom is een pH elektrode van glas?
Hoewel glas normaal gesproken als isolator wordt beschouwd heeft speciaal “pH-glas” bijzondere eigenschappen. Het oppervlak van dit glas bevat ionen die kunnen uitwisselen met waterstofionen uit de oplossing.Daardoor ontstaat een uiterst dun actief laagje op het glasoppervlak waarin een elektrisch potentiaalverschil kan worden opgebouwd. Juist deze eigenschap maakt glas ideaal voor een nauwkeurige pH metingen.
Hoe ontstaat het spanningsverschil in een glaselektrode?
Wanneer de glaselektrode in een vloeistof wordt geplaatst wisselen waterstofionen uit de oplossing uit met ionen aan het oppervlak van het glazen membraan. Hierdoor ontstaat aan beide zijden van het glas een verschil in elektrische potentiaal.Hoe groter het verschil in concentratie van waterstofionen, hoe groter het spanningsverschil wordt. Dit spanningsverschil is zeer klein. Meestal slechts enkele tientallen millivolt. Toch bevat deze spanning alle informatie die nodig is om de pH te bepalen.
De natuurkunde achter de pH meting
De relatie tussen de gemeten spanning en de pH wordt beschreven door de vergelijking van Nernst. Deze natuurkundige vergelijking beschrijft hoe een spanningsverschil ontstaat wanneer de concentratie van ionen aan beide zijden van een membraan verschillend is.Bij een temperatuur van 25 °C verandert de spanning met ongeveer 59 millivolt per pH-eenheid. Dat betekent bijvoorbeeld dat een oplossing met een lagere pH een hogere spanning ten opzichte van de referentie-elektrode kan veroorzaken dan een minder zure oplossing.
Omdat de relatie vrijwel lineair is kan de elektronica van de pH-meter de gemeten spanning eenvoudig omrekenen naar een pH-waarde.
De invloed van temperatuur op een pH meting
De gevoeligheid van een pH-elektrode is afhankelijk van de temperatuur. Naarmate de temperatuur stijgt verandert ook de helling van de Nernst-vergelijking. Hierdoor levert dezelfde oplossing bij verschillende temperaturen een iets andere spanning op.Daarom beschikken moderne pH-meters meestal over een Automatic Temperature Compensation (ATC). Een ingebouwde temperatuursensor meet de temperatuur van de oplossing waarna de elektronica de berekening automatisch corrigeert. Hierdoor blijft de weergegeven pH-waarde nauwkeurig ook wanneer de temperatuur afwijkt van de standaardtemperatuur van 25 °C.
De elektronica in een pH meter
Het spanningsverschil dat de elektrode produceert is extreem klein en de elektrode zelf heeft een zeer hoge elektrische weerstand. Daarom moet de elektronica van een pH meter bijzonder gevoelig zijn.Een digitale pH meter bevat daarom onder andere een:
● glaselektrode.
● referentie-elektrode.
● zeer hoogohmige ingangsversterker.
● analoog-naar-digitaalomzetter (ADC).
● microcontroller.
● temperatuursensor.
● digitaal display.
De versterker zorgt ervoor dat het zwakke spanningssignaal kan worden verwerkt zonder de meting te beïnvloeden. Vervolgens zet de ADC de analoge spanning om in digitale meetgegevens. De microcontroller berekent hieruit de pH-waarde en toont deze op het display.
Kalibratie van een pH meter
Om nauwkeurige metingen uit te voeren moet vooral een pH meter regelmatig worden gekalibreerd. Hiervoor worden bufferoplossingen gebruikt met een bekende pH, bijvoorbeeld pH 4,00, pH 7,00 en pH 10,00.Er wordt dan gekozen voor een bufferoplossing welke het dichts in de buurt ligt van de waarde welke je verwacht te meten.Tijdens de kalibratie vergelijkt de meter de gemeten spanning met de bekende pH-waarde van de bufferoplossing. Eventuele afwijkingen worden opgeslagen zodat toekomstige metingen worden gecorrigeerd.
Regelmatig kalibreren is voor al voor een pH meter belangrijk omdat de eigenschappen van een pH-elektrode in de loop van de tijd langzaam veranderen door veroudering en vervuiling.